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Studienarbeiten am ifp

Jan-Martin Bofinger

Dichte dreidimensionale Oberflächenerfassung mittels
Streifenprojektion unter Verwendung von Standardkomponenten

Dauer der Arbeit: 1 Monate
Abschluss: Juli 2000
Betreuer: Dipl.-Ing. Jens Gühring



Einleitung

Die Oberflächenerfassung von Objekten aus Bildern ist eine zentrale Aufgabe der Photogrammetrie. Abhängig von der Anwendung variieren jedoch die Anforderungen an die Dichte der Erfassung. Werden nur wenige Punkte der Oberfläche für die Auswertung benötigt, so reicht es aus, reflektierende Marken an diesen Stellen anzubringen, um die Identifikation dieser Punkte in mehreren Aufnahmen zu gewährleisten. Für viele Anwendungen in der Industrie wird jedoch eine dichtere Erfassung der Oberfläche benötigt, um z. B. die Qualität des produzierten Werkstückes zu überprüfen.
Bei den automatischen Verfahren hängt die Qualität der Zuordnung homologer Punkte im wesentlichen von der Texturstärke ab. Daher behilft man sich damit, "künstliche" Textur auf die Objekte zu projizieren. Solche Systeme, die z.B. aus einer Stereokamera und einem Projektor bestehen, werden als aktive Triangulationssysteme bezeichnet. Bei der Projektion von Mustern auf die Oberfläche wird zwischen mehreren Verfahren unterschieden. Auf einige dieser Verfahren wird in Kapitel 2 näher eingegangen. Diese Studienarbeit verwendet den codierte Lichtansatz und ein Linienverschiebungsverfahren, das erst vor kurzem am Institut für Photogrammetrie (ifp) entwickelt worden ist.

Die Projektion der Muster wurde am ifp bisher mit einem LCD Projektor, dem ABW LCD 640 Cross, durchgeführt. Neben den hohen Anschaffungskosten hat dieser Projektor jedoch den Nachteil, dass das Aufnahmefeld aufgrund der geringen Lichtleistung für viele Anwendungen zu klein ist. Daher soll in dieser Arbeit untersucht werden, ob es nicht möglich ist, mit Hilfe von günstigeren Standard-Hardwarekomponenten eine vergleichbare Lösung zu finden, die es zudem ermöglicht, größere Objekte aufzunehmen, d.h. das Messfeld zu vergrößern.

Multimediaprojektoren, kurz Beamer genannt, gehören heutzutage zur Standardausrüstung eines jeden Institutes. Auch die Lichtleistung eines aktuellen Beamers übertrifft die Leistung des ABW-Projektors, d.h. die ausreichende Ausleuchtung eines Objektes in unmittelbarer Nähe des Projektors ist gewährleistet. Allerdings werden bei den Beamern unterschiedliche Verfahren zur Projektion des Bildes verwendet. In dieser Studienarbeit werden daher zwei Multimediaprojektoren mit unterschiedlichen Techniken getestet.

Für die Generierung der Muster im Projektor wird ein Notebook an den Beamer angeschlossen. Dieses Notebook ist über ein Netzwerk mit einem Rechner verbunden, auf dem das Programm zur Steuerung der Aufnahmen ausgeführt wird. Im Inneren des Steuerungsrechners stecken 2 Framegrabber an die jeweils 2 Kameras der Marke Basler angeschlossen sind.
Damit die beiden Rechner miteinander kommunizieren können, muss eine Client-Server-Applikation erstellt werden, die über dieses Netzwerk arbeiten kann. Die Realisierung dieser Applikation erfolgt mit Hilfe von CORBA, der Common Object Request Broker Architecture. Diese ist ein Standard mit dem Programme auf unterschiedlichen Rechnern miteinander kommunizieren können. Für die Studienarbeit wird die CORBA-Implementierung von MICO eingesetzt, die mit dem CORBA 2.2-Standard kompatibel ist.
Um einen überblick über die verwendeten Komponenten und deren Zusammenhang zu geben, ist in Abbildung 1 der schematische Aufbau des Messsystems dargestellt.


Verfolgter Lösungsweg

Die erste Aufgabe ist die Entwicklung einer Client-Server-Applikation, welche die Projektion der Muster auf das Objekt realisiert. In unserem Fall ist der Server Teil einer Anwendung, welche die Muster auf dem Notebook erzeugt. Der Client, der auf einem anderen Rechner laufen soll, ist für die Steuerung der Muster auf dem Notebook zuständig. Er ist Teil einer dynamischen Windowsbibliothek (DLL), welche in das am ifp entwickelte Erfassungs- und Auswerteprogramm GRAB3D eingebunden wird.

Damit Client und Server miteinander kommunizieren können, ist zuerst eine CORBA-Schnittstelle zu definieren, die alle notwendigen Steuerungsfunktionen enthält. Danach muss ein Windows-Programm geschrieben werden, dass in der Lage ist, die Muster auf einem Vollbildschirm darzustellen. Um auf den Server zugreifen zu können, benötigt das Steuerungsprogramm GRAB3D eine DLL, welche die Client-Funktionen implementiert und in der Lage ist, die Ablaufsequenz der Muster zu steuern.

Die Vorgehensweise bei der Implemtierung von Client und Server ist in der Studienarbeit ausführlich beschrieben.


Aufnahme der Objekte

Um den Ablauf der Messung etwas zu veranschaulichen, ist in Abbildung 2 die Abfolge der einzelnen Aufnahmen dargestellt. Mit den ersten acht Bildern wird der Graycode auf das Objekt projiziert, um Mehrdeutigkeiten beim Linienverschiebungsverfahren aufzulösen. Das letzte Bild, das auch die höchste Auflösung hat, ist Teil des eingesetzten Linienverschiebungsverfahrens, bei dem insgesamt sechs Bilder aufgenommen werden.


Experimentelle Untersuchungen

Nach der Aufnahme von ebenen Flächen zur Untersuchung der Genauigkeit wurde ein 3D-Objekt aufgenommen. Die Ergebnisse der einzelnen Verarbeitungsschritte sind in den folgenden Bildern dargestellt.

Abbildung 3 zeigt das Tiefenbild der Aufnahme in z-Richtung. Dabei gibt der Grauwert die Entfernung des Punktes zum Beobachter an. Hellere Bereiche liegen näher am Beobachter als die dunkleren. Mit Hilfe dieses Tiefenbildes kann bereits vor der Prozessierung des 3D-Modells die Qualität der Aufnahme kontrolliert werden. Es fällt auf, dass nicht alle Stellen der Oberfläche erfasst werden konnten. Dies kann auf Abschattungen oder ungünstige Reflexionen zurückgeführt werden.

Abbildung 4 zeigt eine Schrägansicht des aufgenommenen Werkstückes.

 

In Abbildung 5 werden die Abweichungen vom Modell farblich visualisiert.

 

Aufgrund von unterschiedlichen Projektionstechniken bei Beamern werden in der Studienarbeit zwei Typen untersucht, zum einen LCD-Projektoren und zum anderen Projektoren, die auf der DLP-Technologie basieren.